铝合金的变质处理的研究

铝合金的变质处理材料与能源学院金属材料工程2011级2班范宇鑫【摘要】变质处理指的是向金属液内添加少量物质，促进金属液生核或改变晶体生长过程的方法。而铝合金制造过程中变质处理是必不可少的工艺，加入不同的变质剂对合金的工艺性能有着不同的影响。关键词：铝合金变质处理铝合金的制备主要有铸造和压力变形两种。铝合金制造过程中的缺陷有氧化夹渣、气孔气泡、缩松疏松、裂纹等。这些缺陷严重影响铝合金的性能，容易造成断裂和磨损。为了防止这些缺陷的产生，提高铝合金的工艺性能，加入变质剂就是一种有效的措施。变质处理的目的主要是细化晶粒、改善脆性相、改善晶粒形态和分布状况。变质处理的机理众说纷纭，主要分为两种：一是不溶性质点存在于金属液中的非均质晶核作用；二是以溶质的偏析及吸附作用。在变质剂完全溶解于金属液且不发生化学反应生成化合物的情况下，变质剂就像溶质一样，在凝固过程中，由于偏析使固/液界面前沿液体的平衡液相线温度降低，界面处成分过冷度减少，致使界面上晶体的生长受到抑制，枝晶根部出现缩颈而易于分离。同时，由于变质剂易偏析和吸附，故阻碍晶体生长的作用也加强。因此，往往只需加入少量变质剂，就能显著细化晶粒。其中，不同的变质剂所发挥的作用有所不同，常见以下几种变质剂：（1）钠盐变质剂：Na元素可使共晶硅的结晶由短圆针状变为细粒状，并降低共晶温度，增加过冷度，细化晶粒。其细化效果，对冷的慢的砂型、石膏型铸件而言比较好，还有分散铸件（铸锭）缩窝的作用，这对要求气密性好的铸件有重要的作用。钠盐变质法的成本低，制备也比较简单，适合批量小、要求不很高的产品，但其缺点是，由于钠是化学活泼性元素，在变质处理中氧化、烧损激烈、冒白色烟雾，对人体和环境都有危害，操作也不太安全，特别是易使坩埚腐蚀损坏，它的充分变质有效时间短，一般不超过1h。钠还使Al-Mg系合金的粘性增加，恶化铸造性能，当钠量多时，还会使合金的晶粒催化，所以Al-Mg系合金和含Mg量高于2%的Al-Si合金，一般都不用钠盐变质剂来进行变质处理，以免出现所谓“钠脆”现象。（2）铝锶中间合金变质剂：这是国外使用的较多的一种高效变质方法。加入量为炉料总重量的0.04-0.05%的Sr。其优点是变质效果比钠盐好，氧化烧损也比钠盐小，有效变质持续时间长，对坩埚的腐蚀性也比钠盐小，因而可使坩埚的使用寿命延长。这种变质法操作也比使用钠盐安全卫生，不产生对人体和环境有害的气体，变质效果也比钠盐好，一般有80-90%的良好变质合格率。其缺点是，成本比钠盐高，要预先配制成中间合金，没有钠盐那样的有分散铸件缩窝的作用。（3）铝锑中间合金变质剂：这种方法也是用的较多的一种长效变质方法。加入量为炉料总重量的0.2-0.3%的Sb，可获得长效变质效果，即使到铝合金重熔，此变质效果仍起作用。其变质效果与合金的冷却速度有关，冷却速度快（如在金属型中铸造），变质效果好；冷却速度慢（如在石膏型、砂型中铸造），则变质效果差。但应注意，已经过钠盐或锶盐或铝锶中间合金变质过的铝合金不能再加Sb来变质，因为这样会形成Na3Sb化合物而使合金的晶粒粗大、性能变坏，从而反使钠、锶的变质效果降低。（4）铝钛中间合金变质剂：其中含有4%左右的钛，钛是细化晶粒效果很好的元素，形成的TiAl3成为初晶α枝晶的异质结晶核种，能有效地细化晶粒和防止铸造裂纹，对易产生铸造裂纹的Al-Cu-Mg合金（如ZL207）很合适。由于钛量太多，又是通过与炉料一起熔化、扩散、融合来细化晶粒的，故其细化效果虽没有钛硼熔剂好，但仍可达到一级晶粒的效果。其次是TiAl3的密度比铝合金液大，如合金保温时间过长，就有可能沉降，凝聚成夹杂物，要严格注意。（5）SR813磷复合细化剂和SR814磷盐复合细化剂：这是近年开发的一种适合过共晶型铝硅合金的初晶Si的细化剂。因为P在铝合金液中形成AlP的微细结晶核种，细化晶粒的效果很好，有效持续孕育时间也长，但它会与Na、Sr、Sb形成化合物，降低它们对共晶硅结晶的细化效果，所以，已经使用Na、Sr、Sb作过变质处理的铝合金，不要再加P来作变质处理。（6）铝钡中间合金变质剂：这是利用1-4%Ba-Al中间合金或钡盐来对铝合金液进行变质处理的方法。其优点是变质过程中无吸气倾向，合金经变质处理强度高，不腐蚀坩埚，也不污染环境。缺点是变质效果不如钠，变质效果受冷却速度的影响大，变质后合金的延伸率提高不多。除了以上几种常用的变质剂，关于细化晶粒的变质剂的研究正在不断进行中。铝钛硼丝细化法是一种最先进的细化晶粒的现代科技方法。其优点是：①细化效果好，细化剂实际利用率高，使用量大大节省；②由于细化剂均匀地进入所有待细化的铝合金液，故细化后的组织均匀，无粗细晶粒交错的混晶区，从而大大提高了合金的强度和延伸率，减少了裂纹等废品；③避免了上述TiAl3和TiB2的沉降，凝集所引起的夹杂和熔炉的结瘤，减少了清炉和洗炉的工作量；④很适合长时间大批量的连续铸造；⑤实现了细化处理自动化无人化，省人省事；⑥使细化处理和合金液凝固时间大为缩短，提高了生产效率；⑦因无TiAl3和TiB2等夹杂物的沉降、凝集，使产品在阳极氧化处理后的表面质量好，特别是箔材、印刷板、激光全息膜、饮料罐和食品罐等薄或超薄铝材的最理想的细化剂。很适用作变形铝合金的晶粒细化处理。稀土变质法利用Al-RE中间合金的稀土变质法，是在铝合金液温度为720-760℃时，加入占炉料总重量的0.2-1.0%的Al-RE中间合金。其优点是它对α（Al）及共晶组织均有明显的细化效果，还兼有较好的精炼净化作用，可显著提高合金的机械性能，变质有效时间也长。缺点是当操作不当时，会使稀土氧化，烧损也较大，还可能产生高熔点的偏聚物沉降。结语要想制备优质的铝合金，变质处理就必不可少。当今使用的变质剂已经品种繁多，生产者可以根据成品的性能需求来选择经济实惠的变质剂。然而，人类对材料的性能的追求永不止步。这就说明，变质处理工艺将会更加完善、高效以及经济化。有关变质处理的研究将会成为有色金属领域的热门。参考文献【1】罗启全.《铝合金熔炼与铸造》.广州：广东科学出版社，2002.【2】陆文华等.《铸造合金及其熔炼》,机械出版社，2002.